張開劍

摘要：建筑的可視化表現(xiàn)是設計方案落成之前最直觀的展示方式，也是建筑設計過程中必不可少的一環(huán)。優(yōu)秀的建筑表現(xiàn)作品往往需要耗費制作者大量的時間和精力來完成整體設計構思。本文旨在將建筑設計中常用的參數化技術引入到建筑表現(xiàn)作品的設計流程中，使用計算機輔助設計的方式，以此提高工作效率和作品質量。

關鍵詞： 參數化；建筑表現(xiàn)；配景

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）11-0277-03

1 引言

近些年來，隨著建筑市場的供需的日驅平衡與圖形渲染引擎的發(fā)展，建筑的可視化已經從當初的一圖難求到現(xiàn)在成了許多建筑師的基本技能之一。競爭日益激烈的當下，對目前仍在建筑可視化領域的從業(yè)人員提出了更高的要求：一方面是在觀感上，業(yè)主對與美的要求有增無減；另一方面，大多數項目周期時間較短，并且需隨方案變動多次修改。

實際上，在整個項目流程中，有相當一部分精力被繁復的機械勞動所占據，成為提高生產效率的極大的阻礙。而這正是參數化技術的切入點，本文將探究在建筑表現(xiàn)常用軟件Rhino，Grasshopper，Lumion工作流下使用計算機程序代替人工完成部分機械勞動，并結合基本場景布置美學原則，快速生成植物配景模型的工作流程。

2 軟件簡介

Rhino全稱為Rhinoceros，是一款功能強大的3D建模軟件，具有易用性高，可拓展性強等優(yōu)點，廣泛地應用于建筑設計，工業(yè)設計，動畫制作，機械加工等領域。

Grasshopper是一款Rhino的常用參數化插件。借助Grasshopper內置運算器設計師可以進行操作更友好的可視化編程，進而以計算機內部的指令取代機械性的重復勞動，生成復雜的形體模型。

Lumion是由荷蘭Act-3D公司開發(fā)的著名建筑可視化軟件，通過其優(yōu)秀的GPU渲染技術，可以快速地生成影視級的高質量建筑效果圖或漫游視頻。

3 室外場景配景的布置要素

建筑表現(xiàn)作品（包括效果圖，漫游動畫，VR場景等）不同于建筑及景觀專業(yè)的嚴謹，相較于平面圖紙而言表現(xiàn)作品需要包含更多的信息，有時為追求表現(xiàn)的效果也會使用適當夸大的手法起到烘托主題和營造氛圍的作用。建筑表現(xiàn)作品的好壞，除去建筑本身設計與模型質量外，配景的搭配布置對整體觀感上的提升起了至關重要的作用，故優(yōu)秀的建筑表現(xiàn)作品對配景的排布上有著極高的要求。

因室內外表現(xiàn)手法以及側重點的不同，本文主要針對室外場景中的配景植物，結合建筑表現(xiàn)的布置原則對植物的參數化布置做出總結。

以樹木為代表的植物在配景主要由兩種類型構成：

1） 經過人工設計的出于景觀目的，有規(guī)律性排布的植物

此種類型的植物多呈現(xiàn)出明顯的人工介入的規(guī)律性，如相近的尺寸和長勢，嚴格控制間距的線性排布，有一定幾何形狀的密集排布等，從而表現(xiàn)出藝術線條、圖案等景觀元素，因此在放置植物模型時，對邊緣這個概念需著重強調否則將導致圖案的連續(xù)性中斷，影響成品觀感。另外雖然所采用的植物種類，尺寸和長勢均相近，卻不可單純地使用同種模型陣列生成，否則將導致大量的視覺符號重復，真實感大打折扣。

2） 自然生長或模擬自然生長的隨機散布植物

此種類型的植物有兩種常見用途：一為公園或城市綠地采用，雖多為人工種植且有人養(yǎng)護，卻也遵從自然狀態(tài)下的生長規(guī)律。二是用作建筑主體效果制作完畢之后，周邊環(huán)境的填充。常見的漫游動畫或是效果圖（尤其是鳥瞰圖）在沒有相關建筑資料的情況下的多采用填充植物的方式進行處理。上述兩種分布方式均無明顯邏輯上的分布規(guī)律。布置原則首先應注重圖面效果，植物之間不宜分布過與均勻，多以簇或者叢的形式存在，且簇的尺度不宜過大，否則會造成視覺上的失真感。同一簇植物內部植物的數量也無定數，但畫面整體應做到分布均衡，層次清晰。其次是植物的生長規(guī)律，大型樹木之間的分布應保持一定間距，而因樹冠尺寸和高度的關系，周圍緊密分布的植物往往會因為光照及養(yǎng)分的不足而相對矮小。周圍相對空曠的樹木較密集分布區(qū)域而言，高度傾向于樹冠尺寸偏大。

以上細節(jié)部分在人工放置配景植物時因精力限制，多數難以照顧到，且初稿之后需要反復調整。而此過程若引入參數化技術，機械勞動得以被計算機所取代，設計者將擁更多有精力與時間思考設計細部的布置，對作品的質量將有的相當大的促進作用。

接下來對該工作流的具體操作步驟要點進行說明。

4 圖紙與模型的前期處理

在實際項目中，收到的提資多為*.dwg圖紙與*.skp模型兩種，針對不同類型的提資均需要進行前期的預先處理，下面將對兩種類型的文件在Rhino軟件中的前期處理方法分別做出介紹。

1） 二維圖紙

在獲取到場地圖紙之后，應當首先對其進行適當簡化處理，如去除填充，標注等元素，根據需要保留待生成區(qū)域的輪廓線并使用Join命令將其組合成為封閉曲線，或所需要放置模型的路徑（單線）。

根據所需要生成的內容，將圖紙內容進行圖層歸類，如草地，樹木等。

2） 三維模型

三維模型同樣需要按類別進行圖層劃分，將所需要進行處理的面放置于單獨的圖層，其余部分則進行刪除，需要注意的是，因不同三維建模軟件成面方式的差異，導入的模型（尤其是Mesh）有可能會因為三角面的排布方式而對后續(xù)生成結果造成影響，導致分布不均?？深A先對網格面進行優(yōu)化處理，提取出網格面的邊緣，對其執(zhí)行Join命令組合之后，使用Simplify Curve命令，通過Toerance參數的調整適當減少曲線的控制點，之后執(zhí)行Join命令，將邊緣合并。經測試，步驟處理之后可以有效地降低分布不均的情況出現(xiàn)。

5 參數化構建

原始資料處理完畢后將圖紙或模型輸入到Grasshopper并按照下述要點進行運算器的連接：

根據分布規(guī)律和工作平面不同，將置物分為水平方向和垂直方向兩種。（本文中提到的關于植物的垂直方向上的分布，指小范圍內的局部垂直分布，并非不同海拔高度下的分布狀態(tài)。）

5.1水平方向

水平方向的置物又可細分為多種類型，如草地，樹林等物體需區(qū)域化批量生成，而行道樹則需要線性生成。

5.1.1區(qū)域化生成

簡單采用生成隨機點的方法是較為方便的，但是實際情況下，此種方法生成的樹木種類單一大小一致，自然界中的樹木即使是人工種植在生長過程中也會因為光線水分營養(yǎng)等因素，形成長勢上的差異，在最終成果輸出中觀感較差，且實際項目中并不會只采用單一樹種。

所以在指定區(qū)域中隨機分布點后，邏輯仍需加入一定優(yōu)化處理，生成結果才能夠更加自然和美觀，如下：

1） 設定樹木最小間距，根據期望種植的樹木的基本信息（如直徑高度等），當兩點過于接近時，剔除其中一點；

2） 設定樹木種類，并將其隨機分配給其中的隨機點。

3） 設定樹種尺寸，若某一區(qū)域樹木分布密集，因涉及養(yǎng)分競爭等問題，樹木的發(fā)育會受到制約，則程序需要對該區(qū)域的樹木尺寸進行二次處理，使其相對整個區(qū)域較為矮小，相反，若某區(qū)域樹木較為稀疏，則將樹木尺寸適當加大，使其最終效果更加粗壯。

此過程中所使用的是根據上述邏輯編寫的Grasshopper運算器，除去基本的生成方式和樹木大小的控制方式以外，加入了不同尺寸比例的控制，可以人為的通過參數去影響樹木的高度。如果將大型樹木的比例調高，那么相應的在隨機分布的過程中，將會更傾向于生成高度更高的樹。

但是此方法仍然有一定局限性，如果將輸入條件設置過多，比如樹木種類較多，同時又設置了人為的樹木傾向的尺寸，樹種較多的同時每種樹又會產生不同尺寸的分支，各成一類，最終將會生成大量種類的樹木，給后續(xù)Lumion中的處理帶來巨大的工作量。故在實際應用過程中應當按需要進行考量，合理的設置參數。

5.1.2線性生成

按照線性規(guī)律進行分布的物體較少，多數需要線性生成的模型均為人工放置＼種植。此類模型規(guī)律并不僅限于空間位置程線性排列，往往還會具有“間距”這一屬性。根據“間距”的有無，同樣可以將線性生成分為兩類：

1） 規(guī)律性分布。對于有“間距”屬性的物件來說（如上文中提到的路燈、行道樹。），現(xiàn)實中人工介入的成分較大，路燈為嚴格陣列錯位排布，而樹木也因為有相應的養(yǎng)護修剪，不同個體之間差異較小。此類模型只需拾取期望放置位置的線段，并且設置“間距”參數即可，按給定數值分割曲線之后，在斷點處放置圖塊。

2） 隨機分布。對規(guī)律性較弱的模型又呈線性排列的物件，則可以通過生成隨機數的方式，在曲線上定位并生成相應的點。同樣的，和區(qū)域化生成一樣，針對間距過小的點可以設置規(guī)則進行剔除，使排布更加自然。

5.2垂直方向

城市綠化中的景觀植物的垂直分布，因設計差異可能稍許不同，但整體上仍遵循著喬木-灌木-地被-草坪的多層次布局規(guī)律。

雖然植物的呈現(xiàn)垂直分布的層次感，但其仍以地面土壤為基礎生長，以圖形化的語言可以將其解釋為，此類物體可以具有相同或者相近的圖塊插入點。該插入點可以根據設計指定排布規(guī)律或者隨機生成，生成完畢之后即可以此點為基礎進行該點位其他高度的植被生成。

在此過程中，有以下事項需要注意：

1） 所有的植物，雖然具有相同的插入點，但是在實際的操作過程中要盡量避免點位的完全重合，否則后續(xù)在Lumion中會因為誤選擇而降低工作效率。

2） 若需要生成的區(qū)域范圍較大或者數量過多，上述方法在計算效率上有可能會出現(xiàn)生成較為緩慢的情況，所以在實際應用過程中如有需要建議采用圖塊嵌套的方式。即預先生成好某一處的植物或配景模型的圖塊組合，然后將這些模型合并為一個圖塊。之后將此圖塊作為分布的基本元素，并且給予隨機的范圍內的位置偏移來做出差異化的效果。

5.3 文件輸出

經測試Lumion對于同一文件內包含多個不同圖塊的情況并不支持，會導致所有樹種均被統(tǒng)一化。此時有兩種解決方案：

1） 樹木種類較少的情況，可以將做好的圖塊按圖層或群組的方式分類，按類別依次手動導出為獨立的文件。

2） 樹木種類較多的情況，建議使用插件Elefront和TTbox中的功能，（連接次序如下圖所示），在File Extension端輸入“.skp”，之后點擊下方的Active之后即可自動輸出為獨立文件。

6 Lumion中的創(chuàng)建

將前序步驟結果按類別導出至Lumion打開，（測試格式為*.skp，可正常使用）。此時Lumion將會識別Rhino中的圖塊為Nodes，而Nodes在Lumion是可以替換為自帶素材庫中的樹木的。這樣就達到了我們以參數化的方式生成植物配景的目的。

此外Lumion本身對樹木也具有一定的模擬自然分布的功能，例如在一定范圍內隨機縮放樹木尺寸，更改樹木的旋轉方向等，此功能的短板在于過程不可控，修改的結果幾乎是完全隨機化的，倘若完全采用其自帶功能來進行植物的差異化布置，其結果仍舊需要人工干預，對樹木進行手動的框選移動，才能達到理想中聚、散狀態(tài)。

7總結

技術與藝術之間并沒有不可逾越的界限，依靠常規(guī)的人工建模與景觀排布固然可以保證作品質量，但是在項目周期短修改頻繁的情況下，如果僅僅依靠增加人力或者延長工作時間的方式，不僅會對項目整體進度造成影響，且由于建筑表現(xiàn)作品設計者的個人審美以及技術能力不同，成品的質量也難以把控。

適時的引入參數化及編程技術，結合個人設計經驗總結與合理的邏輯設置，采用人工設計，計算機輔助實施的方式可以有效地提升工作效率，保證成品質量。

其主要特點如下：

1） 計算機可以以極快的速度處理不同樹種的大小尺寸隨機位置的偏移等，極端情況下甚至可以保證每一個樹木的尺寸大小各異，這一點是人工無論如何也無法達到的。

2）退一步講，在設置邏輯并不完善的情況下，可以在參數化生成的基礎上，由設計師對生成結果進行把關，不合理處進行少量的人工修飾即可。這樣也大大降低了從零起步的工作量，提高實際生產效率。

本文因篇幅所限僅就配景中的樹木部分的參數化配置進行思路與流程總結，除去搭配實時渲染引擎Lumion之外，參數化技術與知名游戲引擎Unreal Engine4、最近在建筑表現(xiàn)領域大火的插件Enscape也有相當好的配合切入點。

望后續(xù)參數化技術可以更好地服務于建筑行業(yè)的美術設計師，減少機械勞動在工作中時間占比，從而將精力從繁重的體力勞動抽出投入到設計本身中來。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】